基于X射线脉冲星的航天器导航滤波算法仿真分析

论文摘要

基于X射线脉冲星的航天器导航是一项新型的自主导航技术,它不仅适合于深空探测,也有利于地球轨道航天器的导航,具有可靠性强,自主性好,精确性高,适用性广等优点,极具发展潜力。目前各航天大国都在积极开展此项研究。本文在研究脉冲星导航的原理、系统组成和工作流程的基础上,结合两种滤波算法,对脉冲星导航进行了仿真分析,探讨提高脉冲星导航的精度。论文首先介绍了坐标系统和时间系统,分析了脉冲星的相位时间模型;其次给出了原时与坐标时的转换方程和脉冲到达时间转换方程;介绍了脉冲星导航中定位和授时的常见方法,并基于增量估计方法详细介绍了脉冲星导航原理;然后基于脉冲星导航原理,对脉冲星导航系统的框架组成和工作流程进行了较为深入的研究与探索;针对EKF算法和UKF算法,建立了仿真模型,设置了统一的仿真交互环境;最后,结合航天器轨道动力学模型,对两种滤波算法在脉冲星导航中的性能进行了仿真分析和比对。两种算法的仿真结果显示:当脉冲到达时间测量精度达到1μs ,脉冲星方位精度达到0.0001arcsec时,导航精度可达到10m量级。文章还从到达时间测量精度、脉冲星方位精度和滤波周期等方面对仿真结果进行了误差分析,结果显示:导航精度与到达时间测量精度近似成正比;脉冲星方位精度低于0.001arcsec时,导航精度大幅下降;滤波周期增大会明显降低EKF算法的导航精度,但是UKF算法受其影响较小。最后从滤波精度、运行时间和算法收敛性对两种滤波算法的性能进行了对比,对比显示,与EKF算法相比,UKF算法运算时间较长,但可以达到更高的导航精度,同时有着更好的收敛性。基于X射线脉冲星的航天器导航是一项极具发展潜力的自主导航技术,本文的研究结果对于进一步开展脉冲星导航的系统组成、工作流程和滤波方法仿真研究有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 自主导航定义
• 1.1.2 自主导航需求
• 1.1.3 自主导航现状
• 1.1.4 脉冲星导航
• 1.1.5 本文研究意义
• 1.2 脉冲星导航研究概况与分析
• 1.2.1 脉冲星导航理论研究及进展
• 1.2.2 脉冲星导航试验研究与进展
• 1.2.3 我国在脉冲星导航上的研究进展
• 1.3 本文主要内容
• 第二章 脉冲星导航的基础理论
• 2.1 坐标系统
• 2.1.1 太阳系质心天球参考系
• 2.1.2 地心天球参考系
• 2.1.3 坐标转换
• 2.2 时间系统
• 2.2.1 相对论框架下的时间尺度
• 2.2.2 各相对论时间之间的转换关系
• 2.3 脉冲星相位时间模型
• 2.4 时间转换
• 2.4.1 原时与坐标时转换
• 2.4.2 脉冲到达时间转换
• 2.5 小结
• 第三章 脉冲星导航的方法和原理
• 3.1 脉冲星导航方法概述
• 3.1.1 定位方法
• 3.1.2 测速方法
• 3.1.3 定姿方法
• 3.1.4 授时方法
• 3.2 脉冲星导航原理
• 3.2.1 一阶测量
• 3.2.2 高阶测量
• 3.3 小结
• 第四章 脉冲星导航系统组成及工作流程
• 4.1 导航系统组成
• 4.1.1 X 射线探测器系统
• 4.1.2 星载导航计算机系统
• 4.1.3 时钟系统
• 4.2 导航系统的工作流程
• 4.2.1 导航系统的启动
• 4.2.2 轨道确定和授时工作流程
• 4.2.3 姿态测量工作流程
• 4.3 小结
• 第五章 基于EKF 的脉冲星导航算法研究
• 5.1 扩展卡尔曼滤波
• 5.1.1 导航滤波方法概述
• 5.1.2 EKF 算法
• 5.2 航天器轨道动力学模型
• 5.2.1 二体问题下的状态方程
• 5.2.2 考虑二阶带谐项的状态方程
• 5.3 EKF 算法在脉冲星导航中的应用
• 5.3.1 雅可比矩阵
• 5.3.2 测量方程
• 5.3.3 时间位置联合滤波
• 5.4 算法仿真与结果分析
• 5.4.1 仿真程序设计
• 5.4.2 仿真环境设置
• 5.4.3 仿真结果
• 5.4.4 误差分析
• 5.5 小结
• 第六章 基于UKF 的脉冲星导航算法研究
• 6.1 Unscented 卡尔曼滤波
• 6.1.1 UKF 概述
• 6.1.2 UT 变换
• 6.1.3 扩维UKF 算法
• 6.1.4 简化UKF 算法
• 6.2 UKF 算法在脉冲星导航中的应用
• 6.2.1 状态方程
• 6.2.2 测量方程
• 6.3 算法仿真与结果分析
• 6.3.1 仿真环境设置
• 6.3.2 仿真结果
• 6.3.3 误差分析
• 6.4 两种滤波算法的比较与分析
• 6.4.1 滤波精度及运行时间的比较
• 6.4.2 滤波算法收敛性的比较
• 6.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 缩略语表